CN109193728B

CN109193728B - 一种储能系统主动调频闭环控制方法

Info

Publication number: CN109193728B
Application number: CN201811281085.XA
Authority: CN
Inventors: 李爱魁; 张科杰; 王伟; 马军; 杜涛; 张鑫; 王茜; 韦延宏; 李秋林; 陈文华
Original assignee: Guizhou Wanfeng Electric Power Co ltd; Wuhan NARI Ltd
Current assignee: Guizhou Wanfeng Electric Power Co ltd; Wuhan NARI Ltd
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2038-10-30
Also published as: CN109193728A; WO2020087576A1

Abstract

本发明公开了一种储能系统主动调频闭环控制方法，该方法包含调频出功控制和储能电池荷电状态控制，两者相互关联共同协作。通过该方法可实现储能系统主动调频动作时对各储能子单元的精细控制，形成启动储能系统调频、储能系统调频结束平滑退出以及储能系统荷电状态自动恢复的闭环控制；同时，既可确保储能电池荷电状态始终处于正常调频工作范围，避免储能系统因电网频率日偏差方向不平衡导致电量快速到达保护值退出，又可保障频率异常或储能电池荷电状态不正常时储能系统安全退出，进一步提高储能系统主动调频的动态响应能力和长期运行的可靠性。

Description

一种储能系统主动调频闭环控制方法

技术领域

本发明涉及储能调频技术，尤其涉及一种储能系统主动调频闭环控制方法。

背景技术

电力系统的频率是电力系统运行的重要控制参数，反映了发电有功功率和负荷之间的平衡关系，与广大用户电力设备以及发供电设备本身的安全和效率有着密切联系。电力系统一次调频由火电机组的调速系统实施，对系统频率变化的响应存在时滞长，机组爬坡速率低，不能准确跟踪自动发电控制指令，有时甚至会造成对区域控制误差的反方向调节等问题；同时，由于一次调频死区等非线性环节的存在，传统火电机组调频不能实现良好的动态调节性能。

电池储能系统具有控制精度高，响应速度快等特点，能实现任何情况下系统频率的快速跟踪出功，是一种调节电力系统电网频率的手段。

火电机组存在生产制造差异，机组性能各不相同，为稳定电力系统频率，一味增加火电机组来增加系统调节容量同样不可取。利用大规模储能系统响应速度快，短时功率吞吐能力强，且调节方向易改变的特点，将其参与一次调频控制，可以有效提升以火电机组为主的电力系统调频能力。

中国专利文献CN107769212A公开了一种储能调频系统及方法，专利中采用蓄电池和超级电容作为储能介质，既可以发挥蓄电池的能量密度大，成本低廉，类型多样等特点；又可以发挥超级电容充放电功率大，动态响应好的优势，达到两种储能介质的混合利用，提高储能系统特性。该专利公开了一种储能调频系统，但未涉及具体的调频方式和调频策略，以及调频过程中蓄电池和超级电容SOC的配合问题。

中国专利文献CN107086595A公开了一种电站内储能系统对电站一次调频的响应方法及系统，专利中阐述了储能系统对电站一次调频的响应方法，即同时监测电网频率和电站频率，当电站内发出一次调频动作指令时，诊断一次调频发出原因，并发出控制命令，判断命令的优先级，根据优先级向储能系统发出控制信号。该专利中储能系统被动参与调频，并非根据电网频率直接参与调频，同时专利并未涉及控制储能系统出功的方式和储能电池荷电状态(SOC)的控制方式。

中国专利文献CN105633988A公开了一种储能系统参与电网一次频率控制的方法及装置，专利中阐述了储能电站根据电网频率变化率判断是否启动虚拟惯性，根据电网频率偏差和第一延迟时间判断是否启动基于储能系统SOC的可变下垂控制；根据虚拟惯性响应和下垂控制功率调整值确定系统总有功控制；最后由电网频率达到峰值和第一延迟预设时间作为虚拟惯性结束判据，由达到第二预设延迟时间作为可变下垂控制结束判据。该专利中一次调频控制方法对于电网频率变化率小偏差大持续时间长工况的调节能力较差；控制出功严重受储能系统SOC限制；调频结束判据依赖于延迟预设时间的设定，参数设置难度大且储能系统的动态响应能力较差；并且欠缺储能系统SOC恢复闭环控制，对于偏差方向不平衡的电网，该储能系统连续调频能力有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种储能系统主动调频闭环控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种储能系统主动调频闭环控制方法,所述储能系统包括多个储能子单元和后台控制系统，所述储能子单元包括储能双向变流器PCS和储能电池；该方法包含调频出功控制和储能电池荷电状态控制，两者相互关联共同协作，具体包括以下步骤：

1)实时监测电网频率，并将信息上送给后台控制系统，判断电网频率是否在调频启动区间；若在调频启动区间，则进入调频区间，由协调控制器控制函数确定储能系统总出功，进行调频出功控制；

2)后台控制系统向各储能子单元的储能双向变流器PCS下发调频出功指令前，监测各储能子单元的储能电池荷电状态SOC，若该储能子单元的储能电池 SOC处于正常状态，则选取该储能子单元并计算储能子单元PCS出功，然后向该子单元储能双向变流器PCS分配和下达出功指令；若该子单元的储能电池SOC 未处于正常状态，该储能子单元暂不投入调频，进入保护恢复状态；

3)在调频同时，后台控制系统监测电网频率和各储能子单元电池SOC，电网频率到达调频截止区间即调频结束，各PCS循环等待调频指令；同时判断各储能子单元电池是否进入待充电恢复状态、待放电恢复状态或保护恢复状态；

4)若存在储能子单元电池进入待充电恢复状态或待放电恢复状态，此时该子单元PCS若接收到调频出功指令，则参与调频出功；若未接收到调频出功指令，则后台控制系统以额定功率的x倍对该电池充放电，直至该储能子单元电池SOC达到充电截止值SOC₅或放电截止值SOC₆；若存在储能子单元电池进入保护恢复状态，则该储能单元暂不投入调频，控制PCS以额定功率的x倍充放电至保护恢复截止值SOC₇后，该储能单元恢复正常工作状态；

其中，x的取值范围为0＜x＜1。

按上述方案，所述步骤1)中，进入调频区间，进行调频出功控制的步骤如下；

11)监测电网频率，并将频率上送给后台控制系统，后台控制系统判断是否达到调频启动区间，若是，进行步骤12)，若否，进入步骤19)；

12)进入调频启动区间，判断进入的是高频调频启动区间还是低频调频启动区间，若是高频调频启动区间进入步骤13)，若是低频调频启动区间进入步骤 16)；

13)基于电网频率和出功控制函数，计算出储能系统总出功，再依据各个储能子单元电池SOC和调整公式，向各子单元储能双向变流器PCS分配和下达充电出功数值，进行调频并进入步骤14)；

14)循环监测电网频率，判断频率是否仍在高频调频区间，若是，则进入步骤13，若否，进入步骤15)；

15)判断电网频率是否异常，若是，储能系统退出调频；若否，若频率进入低频调频启动区间，进入步骤16)；若频率进入高频调频截止区间，进入步骤 19)；

16)基于电网频率和出功控制函数，计算出储能系统总出功，再依据各个储能子单元电池SOC和修正公式，向各子单元PCS分配和下达放电出功数值，进行调频并进入步骤17)；

17)循环监测电网频率，判断频率是否仍在低频调频区间，若是，进入步骤16)；若否，进入步骤18)；

18)判断频率是否异常，若是，储能系统退出调频；若否，判断若频率进入高频调频启动区间，进入步骤13)；若频率进入低频调频截止区间，进入步骤 19)；

19)储能系统各子单元PCS等待动作指令。

按上述方案，所述步骤1)中所述协调控制器控制出功函数如下：

P_总＝K(f₀-f)

其中，f₀表示基准频率，f表示电网实时频率，K表示调频系数。

按上述方案，步骤2)中所述储能电池SOC处于正常状态指未进入保护恢复状态，且储能子单元电池的SOC在SOC₁＜SOC＜SOC₄，SOC₁表示保护下限值，SOC₄表示保护上限值，它们之间的关系为1％＜SOC₁＜SOC₄＜99％。

按上述方案，步骤2)中第n台储能子单元PCS出功P_n根据子单元出功修正公式得出：

其中，P_a表示平均每台PCS出功值，由P_总除以能够满足出功要求的PCS的台数得出，SOC_a表示子单元电池平均SOC，SOC_n表示第n个子单元电池SOC，min ()为取小函数，P表示额定功率，k表示过载系数，k的取值范围为1＜k≤1.5。

按上述方案，步骤3)中待充电恢复状态的启动值设置为SOC₂，待放电恢复装填的启动值设置为SOC₃为待放电，它们之间的关系为SOC₁＜SOC₂＜SOC₃＜SOC₄。

按上述方案，步骤3)中保护恢复状态的启动低值为SOC₁，启动高值为SOC₄。

按上述方案，步骤4)中x的取值范围为：0＜x＜0.6。

按上述方案，步骤4)中x为0.1或0.3。

按上述方案，步骤4)中设置SOC₅为充电恢复截止值，SOC₆为放电恢复截止值，它们之间的关系为SOC₂＜SOC₅＜SOC₃，SOC₂＜SOC₆＜SOC₃。

按上述方案，步骤4)中设置SOC₇为保护恢复截止值，关系为SOC₂＜SOC₇＜SOC₃。

本发明产生的有益效果是：

1、本发明技术方案中，实现了储能系统的主动响应电网频率调频功能，调频出功依据电网频率，储能电池SOC和出功控制函数决定，形成了出功调频-调频退出和出功调频-储能电池状态调节的调频闭环控制，同时可设置控制方法的退出截止频率在火电机组调频死区之间，实现储能系统完成调频后的平滑退出；

2、本发明技术方案中，可在电网频率在调频截止区间内波动时实现对储能电池SOC的控制，并将储能电池SOC作为确定储能子单元出功的因素，既有助于各个储能子单元电池SOC的均衡，减小出厂差异性，对储能电池进行保护，又可避免电网频率日波动偏差方向不平衡时，储能电池SOC的过充过放，进一步提高储能系统调频的动态响应能力和长期运行的可靠性，提升电网的稳定性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的储能系统主动调频控制方法流程示意图；

图2是本发明实施例的调频出功控制流程图；

图3是本发明实施例的中储能电池荷电状态SOC控制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种储能系统主动调频闭环控制方法，能够提高储能系统调频运行的可靠性，利用后台控制系统的控制方法，实现储能系统主动调频动作时对储能单元的精细控制，包括启动储能系统调频和储能系统调频结束退出调频，实现储能电池荷电状态(SOC)闭环控制，保证储能电池SOC始终处于调频响应范围，进一步提高储能系统调频的动态响应能力和长期运行的可靠性。

本发明的目的是针对现有储能调频控制方法的不完善，提供一种储能系统跟踪电网频率主动参与一次调频的闭环控制方法，解决储能系统主动调频何时启动，有功控制，实现长期闭环运行的难题，增强储能电站调频动态性能，进而发挥电池储能系统快速响应电网频率进行调频的特点，有效减小因大型冲击性负荷随机投切和工业负荷阶段性投切，对电网频率的冲击和长时间大幅频率波动对电网可靠性的不利影响。

一种储能系统主动调频闭环控制方法，其主动调频控制方法包括储能系统调频出功控制和储能电池SOC控制，两者关系如图1所示：

1)循环实时监测电网频率，并将信息上送给后台控制系统，判断电网频率是否在调频启动区间；若否，循环监测电网频率并上传给后台判断；若在调频启动区间，则进入调频区间，由协调控制器控制函数确定储能系统总出功；

2)后台控制系统向各子单元PCS下发调频出功指令前，监测储能系统各个储能子单元电池SOC，选取储能电池SOC处于正常状态的子单元，并依据子单元出功修正公式出功；若否，该电池单元退出调频，进入保护恢复状态；

3)储能系统在调频出功同时监测电网频率和各个储能电池SOC，电网频率到达对应调频截止区间即调频结束，各PCS循环等待调频指令；同时判断各个储能子单元电池是否进入待充电恢复状态、待放电恢复状态或保护恢复状态；

4)若存在储能子单元电池进入待充电恢复状态或待放电恢复状态，此时该子单元PCS若接收到调频出功指令，则优先参与调频出功；若未接收到调频出功指令，则后台控制系统以额定功率的x倍对该电池充放电，直至该储能子单元电池SOC达到充电截止值SOC₅或放电截止值SOC₆；若存在储能子单元电池进入保护恢复状态，则该储能单元暂不投入调频，控制PCS以额定功率的x倍充放电至保护恢复截止值SOC₇后，该储能单元恢复正常工作状态。

其中，步骤1)中，调频出功控制流程图如图2所示，具体包括以下步骤：

11)监测电网频率，并将频率上送给后台控制系统，控制系统判断是否达到调频启动区间，若是，进行步骤12)，若否，进入步骤19)；

12)进入调频启动区间，判断进入的是高频调频启动区间(f₁≤f≤f₂)还是低频调频启动区间(f₃≤f≤f₄)，若是高频调频启动区间进入步骤13)，若是低频调频启动区间进入步骤16)；

13)基于电网频率，出功控制函数，计算出储能系统总出功，再依据各个储能子单元电池SOC和调整公式，向各子单元储能双向变流器(PCS)分配和下达充电出功数值，进行调频并进入步骤14)；

14)循环监测电网频率，判断频率是否仍在高频调频区间(f₅≤f≤f₂)，若是进入步骤13，若否，进入步骤15)；

15)判断频率是否异常(f≥f₂或f≤f₃)，若是，储能系统退出调频；若否，判断若频率进入低频调频启动区间(f3≤f≤f4)，进入步骤16)；若频率进入高频调频截止区间，即f₄≤f≤f₅内，进入步骤19)；

16)基于电网频率，出功控制函数调频，计算出储能系统总出功，再依据各个储能子单元电池SOC和调整公式，向各子单元PCS分配和下达放电出功数值，进行调频并进入步骤17)；

17)循环监测电网频率，判断频率是否仍在低频调频区间(f₃≤f≤f₆)，若是，进入步骤16)；若否，进入步骤18)；

18)判断频率是否异常(f≥f₂或f≤f₃)，若是，储能系统退出调频；若否，判断若频率进入高频调频启动区间(f₁≤f≤f₂)，进入步骤13)；若频率进入低频调频截止区间，即f₆＜f≤f₁，若是，进入步骤19)；

19)储能系统各子单元PCS等待动作指令。

上述步骤中频率关系说明：f₃＜f₄＜f₆＜f₀＜f₅＜f₁＜f₂，f₀为基准频率，f 为电网频率；f₁为高频调频启动阈值，f₂为高频保护值，f₃为低频保护值，f₄为低频调频启动阈值，f₅为高频调频截至阈值，f₆为低频调频截至阈值。

储能电池SOC控制流程图如图3所示，具体包括以下步骤：

21)监测各储能子单元电池SOC数值，判断各储能电池SOC是否在正常工作范围(SOC₁＜SOC＜SOC₄)，若是，进入步骤22)；若否，进入步骤30)；

22)判断SOC具体所在状态，若在自然工作状态(SOC₂＜SOC＜SOC₃)，进入步骤23)；若在待充电状态(SOC₁＜SOC≤SOC₂)，进入步骤24)，若在待放电状态(SOC₃≤SOC＜SOC₄)，进入步骤27)；

23)判断PCS是否收到后台控制系统调频指令，若是，依据出功指令对储能电池充放电，进入步骤21)；若否，循环等待调频指令；

24)判断PCS是否收到后台控制系统调频指令，若是，依据出功指令对储能电池进行充电，进入步骤25)；若否，则以单台PCS额定功率的x倍对该储能子单元电池充电，进入步骤26)；

25)监测电池SOC状态是否在正常工作范围内，若是，进入步骤26)；若否，进入步骤30)；

26)判断该储能电池SOC是否到达充电恢复截止值(SOC₅)，若是，进入步骤23)；若否，进入步骤24)；

27)判断PCS是否收到后台控制系统调频指令，若是，依据出功指令对储能电池进行放电，进入步骤28)；若否，则以单台PCS额定功率的x倍对该储能子单元电池放电，进入步骤29)；

28)监测电池SOC状态是否在正常工作范围内，若是，进入步骤29)；若否，进入步骤30)；

29)判断该储能电池SOC是否到达放电恢复截止值(SOC₆)，若是，进入步骤23)；若否，进入步骤27)；

30)若SOC≤SOC₁，以单台PCS额定功率的x倍对该储能子单元电池充放电，循环判断是否到达保护恢复截止值(SOC₇)，若是，进入步骤23)，若否，继续充电；若SOC≥SOC₄，以单台PCS额定功率的x倍对该储能子单元电池充电，循环判断是否到达保护恢复截止值(SOC₇)，若是进入步骤23)，若否，继续放电；

上述步骤中SOC关系：1％＜SOC₁＜SOC₂＜SOC₃＜SOC₄＜99％；SOC₂＜SOC₅＜SOC₃；SOC₂＜SOC₆＜SOC₃；SOC₂＜SOC₇＜SOC₃。

实施例1：

储能系统储能电池采用磷酸铁锂电池，具体后台控制参数，设置高频启动频率f₁＝50.03Hz，高频保护频率f₂＝53Hz，低频保护频率f₃＝47Hz，低频启动频率f₄＝49.97Hz，低频截止频率f₆＝49.99Hz，高频截止频率f₅＝50.01Hz；

根据电网历史负荷量大小，来确定调频系统K，此处设置K＝40000，出功控制函数为P＝40000*(50-f)，kW；

设置x＝0.1，此时储能电池SOC恢复速度较慢；

设置电池SOC保护下限SOC₁＝7％，保护上限SOC₄＝93％，恢复启动低值SOC₂＝20％，恢复启动高值SOC₃＝80％，充电恢复截止值SOC₅＝45％，放电恢复截止值SOC₆＝55％，保护恢复截止值SOC₇＝50％，这种参数对称设置方式，可以应用于电网频率日偏差方向较为平衡的区域电网。

实施例2：

储能系统储能电池采用全钒液流电池，当电网频率日偏差方向不平衡时，参数可以根据实际情况灵活设置。具体后台控制参数，设置如下：

频率参数的设置，若电网频率日偏差向下较多，则可按如下方式设置参数：高频启动频率f₁＝50.1Hz，高频保护频率f₂＝54Hz，低频保护频率f₃＝46Hz，低频启动频率f₄＝49.92Hz，低频截止频率f₅＝49.95Hz，高频截止频率f₆＝50.06Hz；

此处调频系数K设置为50000，出功控制函数为P＝50000*(50-f)，kW；设置x＝0.3；设置电池SOC保护下限SOC₁＝20％，保护上限SOC₄＝85％，恢复启动低值 SOC₂＝30％，恢复启动高值SOC₃＝75％，充电恢复截止值SOC₅＝50％，放电恢复截止值 SOC₆＝55％，保护恢复截止值SOC₇＝50％。这种设置方法向下偏差的启动和调频区间较宽，电池SOC恢复较快，可以更有效发挥调频作用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种储能系统主动调频闭环控制方法，所述储能系统包括多个储能子单元和后台控制系统，所述储能子单元包括储能双向变流器PCS和储能电池；其特征在于，该方法包含调频出功控制和储能电池荷电状态控制，两者相互关联共同协作，具体包括以下步骤：

2)后台控制系统向各子单元储能双向变流器PCS下发调频出功指令前，监测储能系统各储能子单元的储能电池荷电状态SOC，若该储能子单元的储能电池SOC处于正常状态，则选取该储能子单元并计算储能子单元PCS出功，然后向该子单元储能双向变流器PCS分配和下达出功指令；若该储能子单元的储能电池SOC未处于正常状态，该储能子单元暂不投入调频，进入保护恢复状态；

其中，计算第n台储能子单元PCS出功P_n采用以下出功修正公式得出：

其中，P_a表示每台PCS的平均出功值，SOC_a表示储能子单元的电池平均SOC，SOC_n表示第n个储能子单元电池SOC，min()为取小函数，P表示额定功率，k表示过载系数，k的取值范围为1＜k≤1.5；

4)若存在储能子单元电池进入待充电恢复状态或待放电恢复状态，此时该子单元PCS若接收到调频出功指令，则参与调频出功；若未接收到调频出功指令，则后台控制系统以额定功率的x倍对该电池充放电，直至该储能子单元电池SOC达到充电截止值或放电截止值；若存在储能子单元电池进入保护恢复状态，则该储能单元暂不投入调频，控制PCS以额定功率的x倍充放电至保护恢复截止值后，该储能单元恢复正常工作状态；

其中，x的取值范围为0＜x＜1。

2.根据权利要求1中所述的一种储能系统主动调频闭环控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，进入调频区间，进行调频出功控制的步骤如下；

12)进入调频启动区间，判断进入的是高频调频启动区间还是低频调频启动区间，若是高频调频启动区间进入步骤13)，若是低频调频启动区间进入步骤16)；

15)判断电网频率是否异常，若是，储能系统退出调频；若否，若频率进入低频调频启动区间，进入步骤16)；若频率进入高频调频截止区间，进入步骤19)；

18)判断频率是否异常，若是，储能系统退出调频；若否，判断若频率进入高频调频启动区间，进入步骤13)；若频率进入低频调频截止区间，进入步骤19)；

19)储能系统各子单元PCS等待动作指令。

3.根据权利要求1中所述的一种储能系统主动调频闭环控制方法，其特征在于，步骤1)中所述协调控制器控制出功函数如下：

P_总＝K(f₀-f)

4.根据权利要求1中所述的一种储能系统主动调频闭环控制方法，其特征在于，步骤2)中所述储能电池SOC处于正常状态指未进入保护恢复状态，且储能子单元电池的SOC在SOC₁＜SOC＜SOC₄，SOC₁表示保护下限值，SOC₄表示保护上限值，它们之间的关系为1％＜SOC₁＜SOC₄＜99％。

5.根据权利要求4中所述的一种储能系统主动调频闭环控制方法，其特征在于，步骤3)中待充电恢复状态的启动值设置为SOC₂，待放电恢复装填的启动值设置为SOC₃为待放电，它们之间的关系为SOC₁＜SOC₂＜SOC₃＜SOC₄。

6.根据权利要求4中所述的一种储能系统主动调频闭环控制方法，其特征在于，步骤3)中保护恢复状态的启动低值为SOC₁，启动高值为SOC₄。

7.根据权利要求1中所述的一种储能系统主动调频闭环控制方法，其特征在于，步骤4)中x为0.1或0.3。

8.根据权利要求5中所述的一种储能系统主动调频闭环控制方法，其特征在于，步骤4)中设置SOC₅为充电恢复截止值，SOC₆为放电恢复截止值，它们之间的关系为SOC₂＜SOC₅＜SOC₃，SOC₂＜SOC₆＜SOC₃。

9.根据权利要求5中所述的一种储能系统主动调频闭环控制方法，其特征在于，步骤4)中设置SOC₇为保护恢复截止值，关系为SOC₂＜SOC₇＜SOC₃。